使用納米級(jí)3D打印創(chuàng)建高分辨率光場(chǎng)打印

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

如果打印的圖像看起來是3D是不是很神奇？不幸的是，像照片這樣的傳統(tǒng)印刷品會(huì)顯示具有固定外觀的二維 (2D) 圖像，因?yàn)樗鼈儍H包含強(qiáng)度和顏色信息。這些打印件無法顯示3D圖像，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈?duì)光線的方向控制，從而導(dǎo)致深度信息丟失。

為了解決這個(gè)問題，新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué) (SUTD) 的一組研究人員使用納米級(jí) 3D 打印技術(shù)來創(chuàng)建高分辨率光場(chǎng)打印 (LFP)。LFP 包括排列在結(jié)構(gòu)色像素陣列頂部的微透鏡陣列。當(dāng) LFP 被普通白光照射時(shí)，顯示 3D 圖像。3D 圖像是自動(dòng)立體的，這意味著無需佩戴特殊眼鏡即可觀看。圖像在從不同角度觀看時(shí)會(huì)改變外觀，這為 LFP 提供了特殊的 3D 視覺效果。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用雙光子聚合光刻 (two-photon polymerization lithography, TPL) 在一個(gè)圖案化步驟中制造高分辨率 LFP (light field print)，從而避免了進(jìn)行手動(dòng)對(duì)齊的需要。研究人員的 LFP 的微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素在 TPL 系統(tǒng)（Nanoscribe GmbH Photonic Professional GT 系統(tǒng)）中自動(dòng)對(duì)齊，該系統(tǒng)可以定位激光曝光的每個(gè)體積像素，精度高達(dá) 10 nm。由于 TPL 是一種增材制造技術(shù)，研究人員分別以 20 和 300 nm 的離散切片高度步長制造微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素。微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素由相同的低折射率材料 IP-Dip 光刻膠 (n ~1.55) 制成。與等離子體彩色像素不同，研究人員的結(jié)構(gòu)彩色像素不需要額外的金屬沉積，這使得 TPL 系統(tǒng)僅用于制造 LFP。微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素以偽隨機(jī)排列方式制造在一起，可以最大限度地減少不需要的莫爾圖案，并為安全應(yīng)用編碼秘密信息。更重要的是，研究人員的 LFP 同時(shí)顯示高空間分辨率 (29–45 m) 和高角度分辨率 (~1.6°) 圖像，具有平滑的運(yùn)動(dòng)視差，肉眼看起來沒有像素化，即使是近距離。

圖1. 光場(chǎng)打印設(shè)計(jì)LFP示意圖

▲圖解：a. 白色光源用于照亮 LFP 中的結(jié)構(gòu)色像素。來自像素的透射光被微透鏡收集并投射到遠(yuǎn)場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)中的觀察者從由方位角 α 和仰角 β 表示的視點(diǎn)看到彩色 3D 圖像。b. 一個(gè)顯示單元的示意圖：一個(gè)塔支撐一個(gè)球形平凸微透鏡，該微透鏡放置在一個(gè)包含納米柱陣列的結(jié)構(gòu)色像素塊上方一個(gè)焦距處。c. 包含5 × 5個(gè)納米柱的結(jié)構(gòu)色像素示意圖，其中每個(gè)納米柱的直徑為D，高度為H，間距為S。是像素的視角。d. 顯示單元中 3 × 3 個(gè)像素的平面圖示意圖。L是微透鏡的直徑，用圓圈表示；P是每個(gè)像素的間距，用正方形表示。每個(gè)像素被分配一個(gè) 1-9 的數(shù)字，它是從分配有相同數(shù)字的輸入圖像中提取的。e 輸入圖像交錯(cuò)以生成用于打印 LFP 的像素位置數(shù)字地圖。

更重要的是，需要高分辨率 LFP 來顯示超逼真的 3D 圖像，這些圖像在藝術(shù)品和安全物品中具有潛在應(yīng)用。通過使用納米級(jí) 3D 打印創(chuàng)建 LFP，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了每英寸 25,400 點(diǎn) (dpi) 的最大像素分辨率，超過了消費(fèi)類噴墨打印機(jī)的像素分辨率 ~1,200 dpi。LFP 中的結(jié)構(gòu)色像素由納米柱（直徑約 300nm）制成。也許最顯著的結(jié)果是每個(gè)彩色像素都可以由單個(gè)納米柱表示，從而以最大分辨率生成 LFP。

圖2. 光場(chǎng)打印的光學(xué)和電子顯微照片

▲圖解：a. 偽隨機(jī)排列的顯示單元的明場(chǎng)透射光學(xué)顯微鏡圖像（平面圖）。b, c 顯示單元（左）和設(shè)計(jì)有紅色、藍(lán)色和綠色條紋的結(jié)構(gòu)色像素塊（右）的明場(chǎng)透射光學(xué)顯微鏡圖像。相同的像素在顯示單元的微透鏡下方形成圖案。b. 光學(xué)顯微鏡圖像聚焦在像素上。c. 光學(xué)顯微鏡圖像聚焦在顯示單元的前焦平面上。d . 2 × 2個(gè)顯示單元的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（45°傾斜角）。3 × 3個(gè)像素的SEM圖像（30°傾斜角），其中每個(gè)像素可被5 × 5個(gè)具有相同高度和直徑的納米柱識(shí)別。

圖3. 用 3 × 3 個(gè)多色立方體透視編碼的光場(chǎng)打印

▲圖解：從由方位角α和仰角β表示的每個(gè)視點(diǎn)捕獲立方體的數(shù)碼相機(jī)宏圖像。立方體似乎從基板平面突出。在這個(gè)光場(chǎng)打印中，每個(gè)彩色像素由 5 × 5 個(gè)納米柱組成（像素間距 P = 5 微米）。相同的比例尺適用于每個(gè)視點(diǎn)圖像。
這項(xiàng)研究的首席研究員、SUTD 副教授 Joel Yang 表示：“這可能是第一次使用 3D 打印在一個(gè)步驟中完全創(chuàng)建多色光場(chǎng)打印 (LFP)，而無需使用染料，無需手動(dòng)將微透鏡對(duì)準(zhǔn)彩色像素。打印件在單個(gè) LFP 中嵌入多達(dá) 225 幀，以前所未有的分辨率生成平滑的觀看過渡。這些效果將導(dǎo)致 2D 打印件產(chǎn)生超未來的逼真 3D 視覺效果?！?br />

圖4. 用計(jì)算機(jī)生成的卡通臉的 5 × 5 個(gè)透視圖編碼的光場(chǎng)打印。

圖5. 在不同焦距下捕獲的光場(chǎng)打印外觀。

該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，當(dāng)納米技術(shù)允許更大的可擴(kuò)展性和吞吐量時(shí)，高分辨率 LFP 將更容易在市場(chǎng)上買到。這項(xiàng)研究發(fā)表在 Nature Communications 上。

本文來源：More information: John You En Chan et al, High-resolution light field prints by nanoscale 3D printing, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23964-6